在系统可编程模拟器件及它们的应用

    关键词：可编程模拟器件；ispPAC；PAC-Designer软件；滤波器；电压监视；EDA工具；发展方向 

    中国分类号：TN47  文献标识码：A  文章编号：1006-883X（2003）04-0009-06   

    一、概 述 

    在系统可编程模拟器件ispPAC(in-system Programmable Analog Circuit)是美国Lattice半导体公司于1999年底推出的系列产品，到目前为止共推出了六种产品：ispPAC10、 ispPAC20、 ispPAC30、 ispPAC80 、ispPAC81、ispPAC-Power1208。它的问世翻开了模拟电路设计的新篇章，为EDA技术的应用开辟了更广阔的应用前景。 

    与数字在系统可编程大规模集及超规模集成电路（ispLSI、 ispVLSI等）一样，ispPAC同样具有在系统可编程技术的优势和特点。设计者可通过基于Windows的PAC-Designer开发软件在计算机上快速、方便地进行模拟电路设计、修改，对电路的特性进行仿真，然后将设计方案下载到芯片中。同时还可以对已装配在印制板上的ispPAC进行校验、修改或重新设计。ispPAC把高集成度的精确设计集于一体，取代了传统的分立元件或ASIC所能实现的功能。具有开发速度快、成本低、可靠性高、保密性强等特点。 

    ispPAC芯片包含有可编程模拟宏单元（PAC模块），它可以是仪器放大器、求和放大器或其它功能单元，主要承担模拟信号的处理任务。PAC块的输入、输出通过模拟布线区ARP(Analog Routing Pool)互相连接，ARP在器件管脚和PAC块的输入、输出间提供了一个可编程的模拟线路网络，无需外部连接就可将PAC块级联使用。芯片中还包含有配置存储器，是电擦除的E2CMOS存储器，可重复使用10000次，且编程时无需专用编程电源，它以数据形式存储PAC块中选择的增益、反馈电容值、与反馈电阻串联的开关状态、PAC块的输入、输出之间的连接和管脚之间的连接等信息。除此之外，ispPAC中还包含有参考电压、自校正电路以及isp接口等电路。 

    目前，在系统可编程模拟器件系列己成功地应用于音响设备、医疗设备、测试设备、计算机外围设备以及数据采集系统、监控系统和机器人、工厂自动化等诸多领域。其中ispPAC10适于信号的调理和滤波，ispPAC20适于信号的转换和监视，ispPAC30适合于做通用的模拟前段，ispPAC80与ispPAC81可以方便地实现多种类型的5阶滤波器电路。ispPAC-POWR1208 器件综合了Lattice公司领先业界的ispPAC 和 CPLD 工艺，其可编程的模拟输入能为多个供电节点（最多达 12 处）提供精确的同步监控，与此同时在CPLD芯片上又能产生最有效的控制信号，它可用于电源定序和监督等方面。以下我们将介绍ispPAC10与ispPAC20两种芯片的原理与用途。 

    二、ispPAC10器件 

    1、ispPAC10结构特点和工作原理 

    ispPAC10内部结构框图如图1所示，它由4个可编程模拟宏单元PAC块组成，每个PAC块包括一个加法运算电路、两个差动放大器和一系列反馈电容，通过和一些固定的反馈元件的组合可以产生120种可编程电路，如精密滤波器电路、求和/求差电路、增益/衰减和积分电路等，频率范围为10kHz~100kHz，分辨率为5%，增益可通过编程在±1至±10之间设置。还可通过结合其它电路产生更为复杂的信号处理功能电路，以满足不同的功能要求。 

    ispPAC10采用单一的+5V供电，内部的2.5V参考基准电压也由它产生。参考电压可通过电压参考模式或VREFOUT引脚有效地输出到外部，普通模式输出为2.5V，且与输入模式电平无关。需要时还可用一外部电压替代VREFOUT，但普通模式输出电压VCM必须由用户通过CMVIN输入引脚提供，参考电压只能限制在1.25V到3.25V之间。当采用外部电压供电并且ispPAC10必须被编程时，要用一外部参考源替代内部的2.5V电压。 

    2、ispPAC10性能特点： 

    (1).  在系统可编程模拟芯片 

     四运放增益/衰减 

     信号迭加（4个输入） 

     高精度可调滤波器（10kHz~100kHz） 

     无需任何外接元件 

     采用非易失性数字E2CMOS结构单元 

     采用IEEE 1149.1JTAG接口编程 

    (2). 内部包含四个线性模块 

    可编程的增益范围（0~80dB） 

    带宽为550kHz(G=1)，330kHz(G=10) 

    低失真率（THD<-70 dB，f=100kHz） 

    自动调节输入偏置电压 

    (3). 差分结构的I/O口 

    放大器输入口拥有更高的共模拟制比：CMR（69 dB） 

     芯片内部2.5V的参考基准电压 

     RAIL-TO-RAIL电压输出 

    (4). 28引脚DIP及SOIC封装，单+5V电源供电 

    (5). 完整的应用方案 

      12位A/D、D/A的前后级通道 

      单5V电源信号调节 

      传感器信号调节 

      可变滤波器、增益调节、信号迭加模块 

    3、ispPAC10应用实例 
    
    下面介绍一种用PAC-Designer软件设计的一个连续时间的四阶低通Chebyshev（塞贝谢夫）滤波器电路，它的起始频率为100Hz，截止频率为2MHz。电路如图2所示，仿真曲线见图3。 

    三、 ispPAC20器件 

    1、ispPAC20结构特点 

    ispPAC20主要用于信号监测和处理电路，芯片采用非易失性E2CMOS存储器技术，对电路的布局、增益和反馈电容进行配置。它包含有两个PAC块、两个比较器CP、一个数模转换器以及模拟布线区、配置存储器、参考电压、自校正、isp接口等电路。内部结构框图如图4所示，内部电路结构如图5所示。 

    2、ispPAC20性能特点： 

    (1). 系统可编程模拟器件 

        2个仪器级增益/衰减可调运算放大器 

        信号叠加（3输入） 

        高精度可调滤波器（10kHz~100kHz） 

        8位DAC及快速的双重比较器 

        采用非易性数字E2CMOS结构单(10,000cycles) 

        采用IEEE1149.1 JTAG接口编程 

    (2). 线性单元模块 

        可编程的增益范围（0~40dB） 

        带宽为550kHz（G=1），330kHz（G=10） 

        低失真率（THD<-74 dB，f=10kHz〉） 

        自动调整输入偏置电压 

    (3)  I/O口具有差分功能 

        放大器输入口拥有更高的共模抑制比：CMR（69 dB） 

        芯片内置2.5V的参考基准电压 

        RAIL-TO-RAIL电压输出 

        单5V电源供电 

    (4)       44脚标准PLCC封装 

    (5)       完整的应用方案 

        单+5V电源信号调节 

        可变滤波器、增益调节、信号迭加模块 

        12位A/D、D/A的前后级通道 

        高精度电源控制振荡器 

        同步检测电路 

        高精度检测及其它非线性功能 

    3、工作原理 

    (1). DAC 

    8位完全差分电压输出，可与器件内部的比较器和仪器放大器连接，也可直接输出，接口方式可由用户选择，有8位的并行方式、串行JTAG寻址方式、串行SPI寻址方式。 

    (2).比较器 

    ispPAC20内含两个可编程双差分输入比较器，工作原理与常规的比较器一样。当同相输入端电压高于反相输入端时，比较器输出高电平；否则，输出低电平。与常规比较器不同的是，该比较器的每个输入端都采用差分输入方式，有Vin+与Vin-端，输入端电压定义为Vin+-Vin-。比较器是对两个差分电压进行比较。比较器的输入可以是外部信号，也可以是器件内部的信号。 

    (3).PAC块 

    如图5所示， ispPAC块中有两个PAC块，第一个PAC块的IA1前有一个受芯片MSEL管脚控制的多路选择器。当MSEL为低电平时，a端与IA1相连；当MSEL为高电平时，b端与IA1接通。器件出厂时，MSEL在内部接地，默认为低电平。 

    第二个PAC块的IA4前有一个极性控制电路，IA4的极性控制方式可由设计者通过编程设定，包括固定方式、PC管脚方式、RS触发器方式和CP1输出控制方式。若电路设置为PC管脚控制方式，当PC管脚接高电平时，输入信号直接送给IA4；当PC管脚接低电平时，输入信号改变极性后送给IA4。IA4的增益与其它的仪器放大器的增益设置不同，其它的仪器放大器的增益可以设置为±1~±10之间的整数，而IA4的增益只能设置为-1~-10之间的整数。但配合极性控制，仍可得到正的增益。如IA4的增益设置为-7，令PC为低电平，改变输入信号的极性，这时IA4的等效增益相当于-7乘以-1，等于7。 

    在IA4前增加的具有极性控制功能的电路是为了某些特殊应用，改进后的这个电路还具有增大回转速率的功能。 

    4、实例介绍 

    下面介绍一种利用ispPAC20设计的过压监视电路。将一个待测电压信号接在ispPAC20的一个输入脚上，并且把PAC模块放大器的输出接到比较器的输入上就成为典型的监视器。当产生过压时，比较器能输出相应的控制信号。另外，发生故障时，它也能用外部逻辑来登记。为了增加DAC响应的灵敏度，把信号引入PAC块组成的滤波器进行滤波（或者利用高阻抗率的仪器检测放大器作为输入）。（注意：因ispPAC20作为电压监视，CP1的输出寄存器应被设置为“Direct”模式，而不是“Clocked”模式）。图6电路监视的电压为+5V，供电电压指定为5V±5%，所以实际的电压范围是5.25V~4.75V。为了让它可靠地工作，+5V信号必须依靠电阻器减少到2.50V附近，改变DAC输出可决定指定的衰减信号的变化量，但是当它被设置为2.50V时，仍可达到最大的极限值。表1、表2提供了监视值与元器件参数之间的关系。 

    表1  VIN=5V（R1=R2=2.49kΩ）  

过压 
 0.250V 
 0.500V 
 1.000V 
 
PAC增益 
 10 
 5 
   1 
 
DAC 设置 
  B6h 
 B6h 
  96h 
 
VIN 触发阈值 
 5.253V 
 5.506V 
 6.032V 
 

    表2  R2=2.49 kΩ（图中频率值指VIN的频率值）

VIN 
 5V 
 12V 
 15V 
 
R1 
 2.49 kΩ 
 9.53 kΩ 
 12.4 kΩ 
 
实际电压 
 2.5V 
 2.486V 
 2.508V 
 
所需电阻R1之值 
 1.250kΩ 
 1.974kΩ 
 2.080kΩ 
 
C1=0.1µF 
 1.27kHz 
 806Hz 
 756Hz 
 
C1=1.0µF 
 127Hz 
 80.6Hz 
 76.5Hz 
 
C1=10.0µF 
 12.7Hz 
 8.06Hz 
 7.56Hz 
 

    四、结束语 
    在系统可编程器件以及与之配套的EDA工具的出现，改变了传统的设计思想，出现了全新的概念，是电路设计者的一个新的研究及应用领域。它大大地提高了电子电路的设计效率，是电子工作者学习的必修课，未来的电子设计人员必须掌握这门知识。